金屬射出成形（MIM）技術(shù)による高窒素ステンレス鋼の製造は発展のチャンスを迎えている

 

発売日：[2024/6/13]
 

近年、製造技術(shù)と技術(shù)の発展に伴い、窒素は安定鋼中のオーステナイトに大きな優(yōu)位性があり、オーステナイトが持つ無磁性などの優(yōu)れた特性を保持できることが認(rèn)識(shí)されている。ステンレス製品にとってもそうです。また、3 D印刷技術(shù)の発展、応用に伴い、金屬射出成形（Metal injection molding、MIM）高窒素ステンレス鋼の電子工業(yè)における応用優(yōu)位性がますます明らかになってきた。

ニッケルの代わりに高窒素ステンレス鋼が誕生

ステンレス鋼は人類の材料発展史上最も偉大な発明の一つであり、現(xiàn)在では人類の生産と生活のあらゆる面に浸透している。優(yōu)れた耐食性を持つため、ステンレス鋼は工業(yè)分野で様々な劣悪な工業(yè)環(huán)境に広く応用されている。生活分野で様々な消費(fèi)財(cái)の部品や最終製品（食器など）を製造するために使用され、銀色の金屬光沢を長期間維持することができ、消費(fèi)者に愛されている。

ステンレス鋼の発展初期には、窒素含有ステンレス鋼の研究は重視されていなかった。1つ目は生産技術(shù)の制限を受け、ガス?fàn)钪纤丐蜾撘氦颂砑婴工毪长趣щyである、第二に、窒素がステンレス鋼を脆くするかどうかは當(dāng)時(shí)議論されていた。1912年になって初めて、窒素が鋼力學(xué)性能及び安定オーステナイトに與える重大な影響を記載した文獻(xiàn)がある。その後、1926年には、窒素がクロム、鉄クロム合金に類似の影響を與えるという研究が報(bào)告された。1930年代から、窒素を鉄クロム合金に添加して合金強(qiáng)度を高める研究が続々と文獻(xiàn)に記載されている。第二次世界大戦中、ニッケル資源の不足により、窒素化ニッケルでオーステナイトを安定化させる可能性の研究が注目された。當(dāng)時(shí)、ステンレス鋼の構(gòu)造と強(qiáng)度に対する既知の窒素の影響に加えて、ステンレス鋼の耐食性に対する窒素の有利な影響が初めて発見された。

高窒素鋼の発展の歴史の中で、2つの要素が人々のステンレス合金元素としての窒素の意義に対する思考を促進(jìn)した：1つはステンレス鋼における重要な合金元素ニッケルの供給量が徐々に減少したこと、第二に、高強(qiáng)度のオーステナイトステンレス鋼を生産するためである。AOD爐法（アルゴン酸素脫炭素法）が合金元素として窒素を可能にすると、ステンレス鋼の窒素合金化が急速に普及した。特にオーステナイトステンレス鋼においては、ニッケルの代わりに窒素とマンガンの含有量を調(diào)整することにより、良質(zhì)で安価な高窒素ステンレス鋼を生産することができ、さらにニッケル含有量を0.1%未満のレベルに下げることができ、高窒素?zé)oニッケル型のオーステナイトステンレス鋼が誕生した。

オーステナイトステンレス鋼は最も重要なエンジニアリング材料の一つであり、それは比較的強(qiáng)い耐食性、高い延性、無磁性を有するため、工業(yè)上で広範(fàn)な応用を持っている。従來のオーステナイトステンレス鋼には大量のニッケルが含まれていた。ニッケルの存在は鋼中のオーステナイト組織を安定化させるが、解決しにくい問題もある。例えば、ニッケルのコストが高い、オーステナイト中に置換式固溶原子として存在し、材料の強(qiáng)度と硬度を効果的に高めることができない、生體適合性が悪く、人體アレルギー反応を引き起こしやすく、消費(fèi)電子と生體醫(yī)療分野への応用を制限している。

これらの問題を解決するために、ニッケルの代わりにオーステナイトステンレス鋼に窒素が導(dǎo)入され、高窒素ステンレス鋼が誕生した。従來のオーステナイトステンレス鋼と比較して、高窒素ステンレス鋼は相対的な優(yōu)位性がある。例えば、窒素のオーステナイトに対する安定性はニッケルよりはるかに高く、少量の窒素でステンレス鋼中のオーステナイト組織を効果的に安定させ、材料の加工過程でフェライトとマルテンサイトを形成することを減少させ、それによってオーステナイトステンレス鋼が持つ高い耐食性と無磁性を保存する。窒素はギャップ固溶體元素として、材料の良好な延性を維持しながらオーステナイトの硬度と強(qiáng)度を効果的に高めることができる。窒素がニッケルに置換されると、材料のニッケル放出を低減し、材料の生體適合性を改善し、オーステナイトステンレス鋼のレジストとクラック腐食の能力を効果的に向上させることができる。

そのため、高窒素オーステナイトステンレス鋼は近年研究の焦點(diǎn)となり、工業(yè)上の応用もますます多くなっている。

MIM技術(shù)を用いた高窒素ステンレス鋼の製造

初期に開発された高窒素オーステナイトステンレス鋼の多くは鋳造技術(shù)に基づいており、金屬溶融狀態(tài)で窒素元素を添加していた。液體鉄における窒素の溶解度は低いため、鋼液に十分な窒素を溶解させるには、より高い窒素分圧を使用する必要がある。しかし、この方法は高価な高溫高圧設(shè)備を使用する必要があり、一定の危険性があるため、工業(yè)普及に支障を來たす。

これに比べて、オーステナイト中の窒素の固溶度は液狀鉄中の溶解度よりはるかに高いため、ステンレス鋼粉末は固體時(shí)に低圧下で窒素を多く浸透させることができる。これにより、粉末冶金プロセスがより経済的で効果的な高窒素オーステナイトステンレス鋼の製造方法になる。また、粉末冶金プロセスを利用することで、製品の近接成形を?qū)g現(xiàn)し、後続の加工を減少させることができ、同時(shí)に鋳造よりも均一な組織と性能を得ることができる。

MIM技術(shù)は粉末冶金の分野で射出成形技術(shù)を?qū)毪贰ⅳ饯欷摔瑜盲粕嗓丹欷啃陇筏そ鼪烦尚渭夹g(shù)である。金屬射出成形過程において、まず、要求に合致する金屬粉末と高分子バインダーを選択し、その後、適切なプロセス條件下で混練して押出し、均一な顆粒狀フィードを製造する。次に、射出成形により、フィードを溶融狀態(tài)でキャビティに射出してビレットを形成する。最後に、脫脂プロセスにより生地中の接著剤を除去し、焼結(jié)により緻密化金屬製品を得た。焼結(jié)後の完成品の密度は理論密度の96%~ 98%に達(dá)することができ、力學(xué)性能は鍛造材料に近い。

MIM技術(shù)の利點(diǎn)は、複雑な形狀の精密金具を極めて低コストで大量に生産できることにあり、現(xiàn)在ではMIM技術(shù)を用いて高窒素ニッケルフリーステンレス鋼製品を製造できるようになっている?，F(xiàn)在、工業(yè)で最も多く使用されているMIM技術(shù)を用いて製造された高窒素ニッケルフリーステンレス鋼の番號(hào)はPANACEAであり、その化學(xué)成分（質(zhì)量分率）は：炭素≦0.2%、窒素≧0.65%、クロム16.5%~ 17.5%、ニッケル≦0.1%、モリブデン3.0%~ 3.5%、マンガン10%~ 12%、シリコン≦0.1%、余剰量は鉄である。この製品の原始粉末の窒素含有量は0.3%を超えず、焼結(jié)プロセスによって窒素含有量を0.65%以上に高めることができ、最終的に性能の良い高窒素ニッケルフリーオーステナイトステンレス鋼を得ることができる。このステンレス鋼は性能が優(yōu)れているが、量産にはまだ技術(shù)的な障壁がある。例えば、この材料中の窒素は焼結(jié)の過程で浸透し、その窒素含有量の制御は窒化過程の熱力學(xué)と動(dòng)力學(xué)の理解に関連し、ステンレス鋼における窒素の存在狀態(tài)は材料熱処理の過程と関連している、メーカーによって使用する焼結(jié)爐が異なるため、最適化された焼結(jié)條件は生産前に十分に検証する必要があるなど。これらの要素はすべてこの材料の安定生産の難しさを増大させた。
MIM技術(shù)を用いて製造された高窒素ニッケルフリーステンレス鋼は、従來のオーステナイトステンレス鋼よりも強(qiáng)度と硬度が高く、耐食性に優(yōu)れ、しかも磁性がなく、電子製品構(gòu)造部品を製造する優(yōu)れた材料である。深セン市御嘉鑫科技股份有限公司は金屬粉末射出成形技術(shù)を採用し、各種の高精密、複雑構(gòu)造金屬部品を製造し、高窒素?zé)oニッケルステンレス鋼製造分野で豊富な経験を持ち、醫(yī)療、工業(yè)、軍需産業(yè)、消費(fèi)電子などのミドル?ハイエンド製品部品に力を入れ、業(yè)界の技術(shù)障壁を絶えず突破している。ファーウェイは2017年末からこの材料を用いて同社の旗艦攜帯電話のカメラスタンドを製造し始め、これまで2世代の攜帯電話製品を経験してきた?，F(xiàn)在、4種類のカメラスタンドが大量に生産され、それぞれの出荷量は數(shù)百萬件に達(dá)し、高窒素ニッケルフリーステンレス鋼を射出成形する古典的な応用例である。ファーウェイ社の普及に伴い、ますます多くの攜帯電話構(gòu)造部品がこの高窒素?zé)oニッケルオーステナイトステンレス鋼材料を選択するようになった。近い將來、MIM技術(shù)を用いて製造された高窒素ニッケルフリーステンレス鋼はより多くの発展のチャンスを迎えると信じている。